1、 本科毕业设计说明书题 目 ：面向医学图像的数字水印算法设计 院 （部）：信息与电气工程学院专 业 ：电子信息工程班 级 ：电信 111姓 名 ：学 号 ：指导教师：完成日期： 2015 年 6 月 10 日山东建筑大学毕业设计说明书I目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV1 前 言 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本论文的研究内容和组织结构 .52 医学图像数字水印技术概论 .62.1 数字水印的概述 .62.2 数字水印系统的基本模型 .92.3 数字水印的攻击方法 .92.4 数字水印系统的性能评估 .112.5 医学数字水印的概念 .112
2、.5.1 医学图像的特点 .122.5.2 数字水印在医学中的分类 .132.5.3 数字水印在医学中的用途 .142.5.4 医学水印所要研究的主要问题 .152.6 本章小结 .153 医学图像数字水印算法设计与实现 .163.1 设计算法的选择 .163.2 离散余弦交换(DCT) .163.3 方案设计 .183.4 离散余弦变换的水印嵌入 .193.5 离散余弦变换的水印提取 .203.6 主要 Matlab 函数 .213.7 水印的检测 .223.7.1 嵌入水印的图像效果图 .223.7.2 鲁棒性测试实验 .23山东建筑大学毕业设计说明书II3.7.3 实验结论及分析 .25
3、3.8 本章小结 .264 总 结 .27谢 辞 .29参考文献 .30附 录 .32山东建筑大学毕业设计说明书III摘 要随着数字化技术的发展，传统的医学图像保存、分发介质已由胶片转变为数字图像光盘、磁盘。因此，医疗影像及数据信息在网络传输过程中同样会遭遇篡改、非法复制、版权保护等信息安全问题。保护医学图像的完整性和版权也是现代信息安全技术一个需要解决的问题。本文主要对医学图像的版权保护方面进行了研究。本文结合现有的经典水印算法，从离散余弦变换（DCT）这种常用的数学变换入手进行了研究。本文 DCT 数字水印算法是首先把图像分成 88 的不重叠像素块，在经过分块 DCT 变换后，即得到由 D
4、CT 系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些 DCT 系数中。实验证明，该算法满足水印系统的要求。本文对数字水印的攻击方法以及数字水印的评价标准也作了详细的论述，以更好地评价水印算法的特性。关键词：数字水印；离散余弦变换；峰值信噪比；归一化系数山东建筑大学毕业设计说明书IVThe Design on Digital Watermarking Algorithm of Medical ImageABSTRACTWith the development of digital technology, traditional medicine images ar
5、e saved, the distribution medium of film into digital images by CD, disk.Therefore, medical imaging, and data transmission in the network will also encounter tampering, illegal copying, copyright protection and other information security issues.To protect the integrity of medical images and copyrigh
6、ts is a modern information security technologies need to be resolved. This paper focuses on copyright protection of medical images were studied.In this paper, combined with the existing classical watermarking algorithm, the discrete cosine transform (DCT) was studied by mathematical transformation o
7、f the commonly used. DCT digital watermark algorithm is first the image is divided into 8 8 non overlaping pixels block, after block DCT transform, the frequency of DCT coefficient blocks, and then randomly selected some frequency block, to embed the watermark signal is controlled by the key choice
8、of many of the DCT coefficients.Experiments show that the algorithm satisfies the requirements of watermarking systems.Digital watermarking attack methods and evaluation criteria of digital watermarking paper also discussed in detail, in order to better evaluate the characteristics of watermarking a
9、lgorithm.Keywords： Digital watermarking；discrete cosine transform；PSNR；NC山东建筑大学毕业设计说明书- 1 -1 前 言1.1 选题的背景和意义数字化信息时代，网络技术与数字多媒体技术的发展给人们带了极大的便利，但同时也带来了一系列的安全问题。由于数字媒体很容易在网络传输过程中被复制、处理、传播和公开，如何防止数字产品被侵权、盗版和随意篡改以成为当前亟待解决的问题。传统方法是通过加密技术保护数据传输，但是当数据被接收并解密其保护作用也随之消失。迅猛发展的数字化技术也正在广泛的渗透到医学图像领域中，采用 X 光断层扫描技术(
10、CT)和磁共振成像技术(MRI)进行诊断己成为现代医学诊断不可或缺的有效辅助手段。传统的医学图像保存、分发介质已由胶片转变为数字图像光盘、磁盘。随着计算机网络技术的发展，通过网络将所诊断的数字化影像传向远方将成可能。这标志着通过网络进行远程医疗诊断的数字化医疗时代已经到来。医学数字影像传输及通信DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)标准的建立，促进了医疗影像信息的交流。然而，医疗影像及数据信息在网络传输过程中同样会遭遇篡改、非法复制、版权保护等信息安全问题，因此保护医学图像的完整性和版权也是现代信息安全技术一个需要解决的问题。目
11、前在多媒体信息安全中常用的技术是数字签名，它利用加密技术，是一种传统的认证及完整性保护方法。数字签名可以应用于图像的完整性认证，但是该方法存在三个问题：首先是一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了；其次是数字签名的过程是二值映射。只能给出认证是否通过的结果，不能指出具体的篡改位置和程度，更不能完成对己篡改图像的恢复；另外数字签名的密文在传输中不允许任何改动，因为密文即使是相差 1 比特也会使解密后的数据面目全非，所以使用数字签名的前提是信道没有噪声。对于普通的消息，由于网络的低层采用纠错编码的方法处理数据，信道可被看成是无噪声的，数字签名的方法是非常有效的：但是对于图像数据而言，由于其本身含
12、有很多冗余信息，只要不影响到图像的内容或视觉效果，在传输和存储过程中，进行格式转换或者经过一些无害的处理操作，如压缩、滤波、去噪、对比度增强等，是可以接受的。这样的信道是有噪声的，数字签名的方法不能抵抗这些噪声干扰，将导致图像认证失败。如果在存储和传输过程中保证不被压缩以及其它处理，虽然能够认证成功，但这显山东建筑大学毕业设计说明书- 2 -然会造成数据量过于巨大，影响存储器和网络带宽的利用率。因此，必须寻求一种新的手段来对图像完整性保护和版权保护。数字水印技术为解决这种信息安全提供了一种有效的手段，将标志性的数字信息嵌入到医学图像中，其特有的鲁棒性和安全性保证了在经历信息交流过程中的数据处理
13、后，仍能完整可靠地提取水印标志，从而起到鉴别内容真伪，保护病人个人信息等作用。1.2 国内外研究现状1993 年，澳大利亚的 A.Z.Tirkel1等所撰写的 “Electronic Water Mark”一文首次使用了“Water Mark ”这一术语。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科诞生。后来二词合二为一就成为“Watermark”。 Van Schyndelp2在 1994 年国际图像处理会议(ICIP94)上发表的题为“A digital watermark”一文，是第一篇在重要国际会议上发表的关于数字水印的文章，具有里程碑的历史意义。作为一门数字时代的新兴技术数字水印激
14、发了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，比如美国麻省理工学院、普林斯顿大学、IBM 研究所、朗讯贝尔实验室、英国剑桥大学、日本 NEc 研究所、NTT 信息与通信系统研究中心、SONY 公司，PHILIPS 公司，美国版权工作组等众多机构，甚至美国财政部都投入了相当的人力和财力致力于该技术的研究。1996 年 5 月，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届信息隐藏技术国际研讨会(International Information Hiding Workshop,IIHW)，接着 lEEE ICLP(Intgmat-ional Confe-renceon Image Processing)、
15、IEEE ICASSP(Intemational Conference On A-coustics,Spe-ech and Signa|Processing)、IEEE Transactions on ImagesProc-essing,IEEEComputerGra-phics and Its Application 等许多国际重要期刊都发表了大量的有关数字水印技术的论文。除了理论研究外，一些机构也积极开发了数字水印产品。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利，如 DICE 的专利技术。其中美国 Digimarc 公司于 1995 年就推出了具
16、有专利权的水印制作技术，它是世界上第一个商用数字水印软件，并在 Photoshop4.0 和 CorelDraw7.0 中得到应用。目前国际上已经开发成功的数字水印软件还有 Digimarc 公司 PictureMarc，BmehMarc，MareCenler，MareSpider，英国 signum 公司 suresign 产品以及 MediaSec 公司 SysCop 系列产品等。数字水印技术在国内的研究起步稍晚，但这一领域同样也引起了许多科研人员的浓厚兴趣。国内许多高等学府和科研院所都开始了这项技术的研究，如中国科学院，清华山东建筑大学毕业设计说明书- 3 -大学，北京大学，国防科技大学
17、，北京电子技术应用研究所等单位，对数字水印的研究提出了许多独到的见解，在理论上也取得了不少可喜的成果。其中比较有代表性的有中国科学院研究所的刘瑞祯、谭铁牛 3等,北京邮电大学的杨义先、忸心析 4等。1999 年 12 月，中国信息安全领域召开了国内第一届信息隐藏学术研讨会(CIHW)，2000 年 1 月，由国家“863”智能专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，与会专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。这些会议增加了研究者彼此间的交流，促进了国内数字水印技术的快速发展。国家 863 计划，国家自然科学基金等都对数字水印的研究
18、有项目资金支持，充分反映了国家对该技术领域的重视。从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究与世界水平处在同一阶段，而且部分己推出具有自主知识产权的产品，如成都宇飞信息公司推出“宇飞数字水印印刷应用技术”和上海阿须数码技术有限公司研制的“数字印章技术”等。到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法、水印容量等方面。90 年代中期，采用通信理论模型，将原始
19、图像和有意无意的攻击看作噪声，特别是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、白适应的鲁棒水印算法，在此基础上，提出了更精确的信息隐藏水印模型。晟近，提出矢量量化的方法，预言能够取得更加鲁棒的算法。在不同算法中，水印容量分析相当重要，因为这是应用中首先需要明确的问题，目前结合信息论、通信理论。分析容量范围，成为了当前研究热点。水印的算法的研究主要分为空域算法和变换域算法两种，下面主要介绍针对图像数据域的一些算法。（1）空域算法：该类算法通常包括基于像素的水印和基于分块的水印两类。其中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的比特位(LSB，least si
20、gnificant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的比特位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形等操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中，Patchwork 算法就是随机选择 N 对像素点山东建筑大学毕业设计说明书- 4 -(a， b)后将每个 a 点的亮度值加 I，每个 b 点的亮度值减 1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork 方法对 JPF,6 压缩、FIR 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图
21、像块进行嵌入操作。利用统计特征的空域嵌入算法也是一类重要的嵌入技术。这类方法的主要思想是通过修改原始载体数据使得原始载体的某些统计特征发生变化，检测时只需查看水印载体的统计特征即可。从而达到盲检测的目的。当然这些统计特征的来源必须受到密钥的控制以保证安全性。在空域嵌入算法中，常用的统计量包括平均值标准偏差和直方图等。Wong5,6等人提出了一种基于分块的脆弱水印认证算法，算法的主要思想是把图像分割为各个独立的小块，然后分别在各小块上嵌入各自的水印，该类分块独立算法的缺点是不能抵抗伪造真实图像的量化攻击，其原因在于各个分块是独立的。（2）变换域算法：随着 DFT、DCT、小波变换等被广泛应用于图
22、像的有损压缩中，许多鲁棒性水印的算法采用了 DCT 变换或小波变换，从而极大地提高了鲁棒性。由于许多脆弱性水印系统要求能够抵抗有损压缩，这在变换域中更容易实现。此外，变换域更容易对图像被篡改的特征进行描绘，因此更多的算法采用在变换域中实现。傅里叶变换是一种经典而有效的数学工具，DFT 域的算法有利于实现水印的仿射不变性。且可利用变换后的相位信息嵌入水印。这类算法是通过改变图像离散 DFT 变换系数中的某些系数的幅值或者通过修改 DFT 变换的相位值来实现水印的嵌入。为了同时满足水印的不可见性和鲁棒性，在图像中 DFT 系数的幅值上嵌入水印的算法通常情况下都是选择中频系数来嵌入水印。O.Ruan
23、aidh 7提出了两种 DFT 域的水印算法。一种算法是将水印嵌入到 DFT 系数的相位信息中，其依据是 Hayes 的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”；另外一种算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。在离散余弦变换（DCT）水印算法中，数字载体首先进行 DCT 变换，该变换的对象可以是整个载体(如整幅图像)，也可以是载体的各个部分(比如对图像进行分块，块的大小一般为 88 或者 1616)。嵌入空间是载体的某个频带或某些频带，这些频带对应的变换系数遵循一定的规则被修改、替换或交换。载体的低频信息反映了载体的主要轮廓，不应有较大的失真，水印的嵌入将影响其不可见性。而载
24、体的高频信息是人类感知系统不敏感的信息，通常被压缩技术所剔除，故若在该频带中嵌入水印信息，水印的鲁山东建筑大学毕业设计说明书- 5 -棒性较差。基于此，为了同时满足水印的鲁棒性和不可见性，主张将水印信息嵌入到载体的中频系数中。类似的水印技术还被引入到离散小波变换(DWT)域中。利用小波变换的多分辨特性，嵌入的水印在不同分辨层上具有不同的鲁棒性和视觉特性。较之 DCT 变换，小波变换具有更好的能量集中特性，其良好的时一频分解特性更符合人类视觉系统的特点，因此被新一代的压缩标准如 MPEG-4 及JPEG-2000 所采用。1.3 本论文的研究内容和组织结构本课题就是针对当前水印技术发展现状，设计用于医学图像数字水印算法，并讨论嵌入算法的性能。全文安排如下：第 1 章，前言。介绍了数字水印技术的背景以及国内外的发展现状，给出了本文研究的主要内容和组织结构。第 2 章，数字水印系统的基本理论和医学数字水印技术的基本介绍，本章主要概述了数字水印的基本原理和医学水印的基本内容。第 3 章，研究和分析了离散余弦变换算法在医学图像水印技术的应用并实现水印的盲提取算法，并对算法进行了一系列的性能评估。第 4 章，对整篇论文所做的工作进行了总结。
